DE102021213293A1 - Method of operating switchgear and switchgear - Google Patents

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Ivana Mladenovic
Maximilian Schönau
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Abstract

Aus einem Fit an Messwerte von wenigstens zwei nahe einer ersten und zweiten Verschraubung angeordneten Temperatursensoren wird das Verhältnis zweier Zeitkonstanten der Temperaturanpassung an eine stufenartige Stromänderung ermittelt und aus der Abweichung des Verhältnisses von einem Wert von 1 auf einen Fehler im Bereich von einer der Verschraubungen geschlossen.The ratio of two time constants of the temperature adjustment to a step-like current change is determined from a fit of measured values from at least two temperature sensors arranged near a first and second screw connection, and a fault in the area of one of the screw connections is inferred from the deviation of the ratio from a value of 1.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanlage, insbesondere für Mittel- und/oder Hochspannungen.The invention relates to a switchgear, in particular for medium and/or high voltages.

Eine häufig in Erscheinung tretende Fehlerquelle in einer Schaltanlage stellen die in der Schaltanlage befindlichen Schraubverbindungen dar, insbesondere solche, die erst auf der Baustelle montiert werden. Die Verschraubung an der Sammelschiene und am Hochspannungskabel spielen dabei eine wichtige Rolle. Diese Schraubverbindungen können sich im Laufe des Betriebes verschlechtern, wodurch eine zusätzliche lokale Erwärmung entsteht, die schließlich zu einem Fehler führen kann. Eine frühzeitige Identifikation einer solchen Fehlerstelle kann zur vorrausschauenden Fehlerbehebung eingesetzt werden.A common source of error in a switchgear is the screw connections in the switchgear, especially those that are assembled on site. The screw connection on the busbar and on the high-voltage cable play an important role here. These screw connections can deteriorate over the course of operation, resulting in additional local heating that can ultimately lead to a fault. Early identification of such a fault location can be used for anticipatory troubleshooting.

Aus der US 2017/0148300 A1 ist bekannt, Werte für die absolute Temperatur zwischen den einzelnen Phasen der Schaltanlage zu vergleichen, um einen möglichen Defekt zu erkennen. Dabei wird angenommen, dass ein solcher Defekt bei nur einer Phase auftritt.From the U.S. 2017/0148300 A1 It is known to compare values for the absolute temperature between the individual phases of the switchgear in order to detect a possible fault. It is assumed that such a defect occurs in only one phase.

Ebenso ist bekannt, die Temperaturerhöhung gegenüber der Umgebungstemperatur mit dem quadratischen Strom mit einer linearen Gleichung in Bezug zu setzen. Anschließend wird zur Zustandsbewertung die Änderung der linearen Gleichung betrachtet.It is also known to relate the temperature increase over the ambient temperature to the square of the current using a linear equation. The change in the linear equation is then considered for the status assessment.

Nachteilig an den bekannten Verfahren ist, dass Vergleiche der Temperatur zwischen Phasen eine symmetrische Strombelastung voraussetzen und der Einfluss mancher Fehler auf die absolute Temperatur gering ist, sodass die Fehlererkennung schwierig ist.A disadvantage of the known methods is that comparisons of the temperature between phases require a symmetrical current load and the influence of some errors on the absolute temperature is small, so that error detection is difficult.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Zustandsbestimmung für eine Schaltanlage und eine entsprechende verbesserte Schaltanlage anzugeben.It is the object of the invention to specify an improved method for determining the status of a switchgear and a correspondingly improved switchgear.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a switchgear with the features of claim 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren für eine Schaltanlage werden Signale von zwei in der Schaltanlage angeordneten Temperatursensoren aufgenommen. Weiterhin wird durch einer Funktion, die ein Verhältnis der Verläufe der Temperaturen bei den Temperatursensoren modelliert, an die Signale ein Verhältnis zweier thermischer Zeitkonstanten für Temperaturänderungen an den Temperatursensoren ermittelt. Schließlich wird ein Alarmsignal erzeugt, wenn das Verhältnis der thermischen Zeitkonstanten in einem Fehlerbereich liegt.In the operating method according to the invention for a switchgear, signals are recorded by two temperature sensors arranged in the switchgear. Furthermore, a ratio of two thermal time constants for temperature changes at the temperature sensors is determined on the signals by a function that models a ratio of the curves of the temperatures at the temperature sensors. Finally, an alarm signal is generated when the thermal time constant ratio is within an error range.

Die erfindungsgemäße Schaltanlage umfasst einen Temperatursensor und eine Auswerteeinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung ausgestaltet ist, das Verfahren durchzuführen. Die Auswerteeinrichtung ist also ausgestaltet, Signale von zwei in der Schaltanlage angeordneten Temperatursensoren aufzunehmen, durch eine Funktion, die ein Verhältnis der Verläufe der Temperaturen bei den Temperatursensoren modelliert, an die Signale ein Verhältnis zweier thermischer Zeitkonstanten für Temperaturänderungen an den Temperatursensoren zu ermitteln und ein Alarmsignal zu erzeugen, wenn das Verhältnis der thermischen Zeitkonstanten in einem Fehlerbereich liegt.The switching system according to the invention comprises a temperature sensor and an evaluation device, the evaluation device being designed to carry out the method. The evaluation device is therefore designed to record signals from two temperature sensors arranged in the switchgear, to determine a ratio of two thermal time constants for temperature changes at the temperature sensors to the signals using a function that models a ratio of the temperature profiles at the temperature sensors, and an alarm signal to generate when the ratio of the thermal time constants is in an error range.

Bei der Schaltanlage kann es sich um eine luftisolierte Schaltanlage (AIS) oder um eine gasisolierte Schaltanlage (GIS) .The switchgear can be air-insulated switchgear (AIS) or gas-insulated switchgear (GIS).

Vorteilhaft werden also bei der vorliegenden Erfindung nicht die Absolutwerte von Temperaturen verglichen, sondern es werden Zeitkonstanten betrachtet, mit denen eine Anpassung der Temperatur nach einer Änderung der thermischen Einflüsse, insbesondere nach einer Stromänderung, stattfinden. Dadurch, dass diese mit einem Fit an eine Funktion ermittelt werden, werden automatisch Signalrauschen und andere statistische Einflüsse minimiert. Weiterhin sind die Zeitkonstanten auch bei kleinen Änderungen der thermischen Einflüsse sichtbar und nicht abhängig davon, dass die Strombelastung verschiedener Phasen symmetrisch ist.Advantageously, the absolute values of temperatures are not compared in the present invention, but time constants are considered, with which an adjustment of the temperature takes place after a change in the thermal influences, in particular after a change in current. Since these are determined with a fit to a function, signal noise and other statistical influences are automatically minimized. Furthermore, the time constants are also visible with small changes in the thermal influences and are not dependent on the current loading of different phases being symmetrical.

Besonders vorteilhaft ist bei diesem Verfahren, dass durch die Bildung des Verhältnisses der beiden betrachteten Zeitkonstanten zwei Einflussfaktoren vernachlässigt werden können, nämlich die Umgebungstemperatur und die elektrischen Verluste der Schaltanlage, die zu der Temperaturänderung führen. Da diese nicht unbedingt bekannt sind oder als Messwerte vorliegen, ergibt sich durch die Betrachtung des Verhältnisses der Zeitkonstanten ein vereinfachter und verbesserter Fitvorgang, der zu verlässlicheren Ergebnissen führt.What is particularly advantageous with this method is that by forming the ratio of the two time constants under consideration, two influencing factors can be neglected, namely the ambient temperature and the electrical losses of the switchgear, which lead to the temperature change. Since these are not necessarily known or available as measured values, considering the ratio of the time constants results in a simplified and improved fitting process that leads to more reliable results.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Schaltanlage gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform der unabhängigen Ansprüche mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:

  • Als Fehlerbereich können alle Werte für das Verhältnis der Zeitkonstanten verwendet werden, die weiter als ein Mindestabstand von 1 oder weiter als ein Mindestfaktor von 1 entfernt liegen. Beispielsweise kann der Fehlerbereich alle Verhältnisse umfassen, die außerhalb des Intervalls von 0,8 bis 1,2 liegen; hier beträgt also der Mindestabstand 0,2. Alternativ kann der Fehlerbereich beispielsweise alle Verhältnisse umfassen, die außerhalb des Intervalls von 0,8 bis 1,25 liegen; hier wird ein Mindestfaktor von 0,8 verwendet.
Advantageous refinements of the method according to the invention and the switchgear according to the invention are evident from the dependent claims. The embodiment of the independent claims can be combined with the features of one of the subclaims or preferably also with those of several subclaims. Accordingly, the following features can also be provided:
  • Any values for the ratio of the time constants that are more than a minimum distance of 1 or more than a minimum factor of 1 away can be used as the error range. For example, the error range can include all ratios outside the interval from 0.8 to 1.2; here the minimum distance is 0.2. Alternatively, the error range may include, for example, all ratios that are outside the interval 0.8 to 1.25; a minimum factor of 0.8 is used here.

Die Funktion kann den Temperaturverlauf unter der Annahme beschreiben, dass die Temperatursensoren über ein thermisches Netzwerk erster Ordnung mit jeweils einer thermischen Masse und jeweils einem thermischen Widerstand mit einer Umgebungstemperatur verbunden sind, wobei die Umgebungstemperatur in der Funktion unberücksichtigt ist.The function can describe the temperature curve under the assumption that the temperature sensors are connected to an ambient temperature via a first-order thermal network, each with a thermal mass and a thermal resistance, with the ambient temperature being disregarded in the function.

Bevorzugt wird auf einen Empfang des Alarmsignals hin eine Sicherheitsmaßnahme durchgeführt. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Reduzieren eines durch die Schaltanalage, insbesondere durch eine betroffene Phase fließenden Stromes, ein Abschalten der Schaltanlage oder das Veranlassen einer Wartungsmaßnahme handeln. Beispielsweise kann die Dringlichkeit oder der Grad der Sicherheitsmaßnahme von dem Maß der Abweichung unter den Referenzwert abhängig gemacht werden.A safety measure is preferably carried out upon receipt of the alarm signal. This can involve, for example, reducing a current flowing through the switchgear, in particular through an affected phase, switching off the switchgear, or initiating a maintenance measure. For example, the urgency or the degree of the security measure can be made dependent on the extent of the deviation below the reference value.

Die Schaltanlage kann eine Phase oder mehrere Phasen, insbesondere drei Phasen umfassen und kann weiterhin einen Temperatursensor für jede Phase umfassen.The switchgear can comprise one phase or several phases, in particular three phases, and can furthermore comprise a temperature sensor for each phase.

Bevorzugt befinden sich die Temperatursensoren in einem thermisch eng gekoppelten System, beispielsweise im Kabelanschlussraum.The temperature sensors are preferably located in a thermally closely coupled system, for example in the cable connection room.

Die Temperatursensoren sind bevorzugt ausgebildet, Temperaturen von Schraubenverbindungen zu messen. Sie sind dafür bevorzugt nahe an solchen Schraubenverbindungen angeordnet. Da thermische Zeitkonstanten der thermischen Anpassung bestimmt werden, ist es nicht notwendig, dass die Temperatursensoren direkt an den Schraubverbindungen angeordnet sind, es ist aber zweckmäßig, wenn sie so nahe an diesen angeordnet sind, dass der thermische Einfluss eines Fehlers an der Schraubverbindungen den Einfluss anderer Schraubverbindungen, beispielsweise derjenigen von anderen Phasen, deutlich überwiegt.The temperature sensors are preferably designed to measure temperatures of screw connections. For this purpose, they are preferably arranged close to such screw connections. Since thermal time constants of thermal matching are determined, it is not necessary that the temperature sensors be located directly at the bolted joints, but it is convenient if they are located so close to them that the thermal influence of one fault on the bolted joints outweighs the influence of others Screw connections, for example those of other phases, clearly predominates.

Die Temperatursensoren können beispielsweise an einer Sammelschienenverbindung, einer Kabelverbindung, einem oberen Abgang, einem unteren Abgang oder an einer Durchführung angeordnet sein.The temperature sensors can be arranged, for example, on a busbar connection, a cable connection, an upper outlet, a lower outlet or on a bushing.

Alternativ zu einer Auswertung, also einer Durchführung des Fitvorgangs in der Schaltanlage selbst ist es auch möglich, dass die Schaltanlage mit einem abseits der Schaltanlage, insbesondere als Cloud-Service ausgestalteten Computersystem, gekoppelt ist. Dabei ist die Schaltanlage zweckmäßig ausgestaltet zur Übermittlung der vorhandenen Messwerte, also zumindest des Temperaturverlaufs, an das Computersystem. Das Computersystem wiederum ist ausgestaltet, den Fitvorgang unter Verwendung von wenigstens dem Temperaturverlauf vorzunehmen. Vorteilhaft ist dabei, dass die Daten zentral verarbeitet werden und die Rechen- und Speicherkapazität im Computersystem typischerweise vielfach höher ist als in einer Schaltanlage, da Schaltanlagen üblicherweise bestenfalls mit einem Mikrocontroller ausgestattet sind, wohingegen Computersysteme mit Mikroprozessoren arbeiten.As an alternative to an evaluation, that is to say carrying out the fitting process in the switchgear itself, it is also possible for the switchgear to be coupled to a computer system which is separate from the switchgear, in particular designed as a cloud service. The switchgear is expediently designed to transmit the existing measured values, ie at least the temperature profile, to the computer system. The computer system, in turn, is designed to carry out the fitting process using at least the temperature profile. The advantage here is that the data is processed centrally and the computing and storage capacity in the computer system is typically many times higher than in a switchgear, since switchgear is usually at best equipped with a microcontroller, whereas computer systems work with microprocessors.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine luftisolierte Schaltanlage mit einem Temperatursensor,
  • 2 ein thermisches Modell für die Schaltanlage,
  • 3 einen T-Stecker einer Schaltanlage mit Platzierungsmöglichkeiten für einen Temperatursensor.
The invention is described and explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments illustrated in the figures. Show it:
  • 1 an air-insulated switchgear with a temperature sensor,
  • 2 a thermal model for the switchgear,
  • 3 a T-plug of a switchgear with placement options for a temperature sensor.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltanlage 1 in einer Querschnittsdarstellung. Die Schaltanlage 1 ist vorliegend als luftisolierte Schaltanlage ausgeführt, die Erfindung kann jedoch auch auf gasisolierte oder sonstige Schaltanlagen der Nieder-, Mittel- oder Hochspannungstechnik angewendet werden. 1 shows an embodiment of a switchgear 1 in a cross-sectional view. The switchgear 1 is designed here as an air-insulated switchgear, but the invention can also be applied to gas-insulated or other switchgear of low, medium or high voltage technology.

Die Schaltanlage 1 von 1 besitzt vier verschiedene Räume, die voneinander durch Trennwände abgetrennt sind. Ein Sammelschienenraum 4 beherbergt einen Satz von Sammelschienen 14 (gewöhnlich eine Schiene pro Phase des Energienetzes), über die elektrische Energie zwischen mehreren nebeneinander angeordneten Schaltanlagen verteilt wird. Die jeweiligen Sammelschienenräume 4 können dabei direkt miteinander verbunden sein und somit einen gemeinsamen Sammelschienenraum bilden oder voneinander abgetrennt sein.The switchgear 1 of 1 has four different rooms, which are separated from each other by partitions. A busbar compartment 4 houses a set of busbars 14 (usually one bar per phase of the power system) over which electrical power is distributed between a plurality of adjacent switchgear. The respective busbar spaces 4 can be connected directly to one another and thus form a common busbar space or be separated from one another.

Die in dem Sammelschienenraum 4 angeordneten Sammelschienen 14 sind über Verbindungsleiter 16 mit oberen Abgängen 12 eines in einem Geräteraum 2 befindlichen Schaltgerätes 10 verbunden, wobei beispielsweise sogenannte Kontakttulpen oder Fingerkontakte zur Bereitstellung von lösbaren Kontakten für eine einfache Austauschbarkeit des Schaltgerätes 10 verwendet werden können. Als Schaltgerät 10 können beispielsweise Leistungsschalter, Lastschalter, Kurzschließer, Erdungsschalter, Sicherungen und dergleichen mehr zum Einsatz kommen.The busbars 14 arranged in the busbar space 4 are connected via connecting conductors 16 to upper outlets 12 of a switching device 10 located in a device space 2, with so-called contact tulips or finger contacts for example being able to be used to provide detachable contacts for easy replacement of the switching device 10. Circuit breakers, load switches, short-circuiters, grounding switches, fuses and the like can be used as switching device 10, for example.

Untere Abgänge 13 des Schaltgerätes 10 sind in entsprechender Weise über Verbindungsleiter 16 mit in einem Kabelanschlussraum 3 befindlichen Kabeln 15 verbunden, die als Eingänge oder Ausgänge der von der Schaltanlage 1 verteilten elektrischen Energie dienen können.Lower outlets 13 of the switching device 10 are connected in a corresponding manner via connecting conductors 16 to cables 15 located in a cable connection room 3 , which can serve as inputs or outputs for the electrical energy distributed by the switchgear 1 .

Die Verbindungsleiter 16 werden dabei über Durchführungen 11 zwischen dem Geräteraum 2 einerseits und dem Sammelschienenraum 4 beziehungsweise dem Kabelanschlussraum 3 elektrisch mit dem Schaltgerät 10 verbunden.The connecting conductors 16 are electrically connected to the switching device 10 via bushings 11 between the equipment compartment 2 on the one hand and the busbar compartment 4 or the cable connection compartment 3 .

Ein Niederspannungsraum 5 kann Steuerelektronik, Mess- und Meldegeräte und andere derartige Niederspannungs-Hilfsgeräte aufnehmen. Diese Niederspannungs-Hilfsgeräte können Messwerte von den verschiedenen stromführenden und spannungstragenden Komponenten einlesen und für Steuer- und Schutzzwecke an entfernte Vorrichtungen weiterleiten und/oder lokal anzeigen und/oder automatisiert auswerten. Zur Bereitstellung solcher Messwerte werden üblicherweise an den Sammelschienen und den Kabeln befestigte Strom- und Spannungswandler vorgesehen, deren Messausgänge mit den Niederspannungs-Hilfsgeräte verbunden sind.A low-voltage space 5 can accommodate control electronics, measuring and signaling devices and other such low-voltage auxiliary devices. These low-voltage auxiliary devices can read readings from the various live and live components and forward them to remote devices for control and protection purposes and/or display them locally and/or evaluate them automatically. In order to provide such measured values, current and voltage transformers are usually attached to the busbars and the cables, the measurement outputs of which are connected to the low-voltage auxiliary devices.

Die Verbindungen zwischen den oberen und unteren Abgängen 12, 13 und dem Schaltgerät 10, zwischen den oberen und unteren Abgängen 12, 13 und den Durchführungen 11, zwischen den Durchführungen 11 und den Verbindungsleitern 16 sowie zwischen den Verbindungsleitern 16 und den Sammelschienen 14 beziehungsweise den Kabeln 15 können unter Verwendung von kraftschlüssigen Verbindungen wie Schraub- oder Klemmverbindungen vorgenommen werden. An diesen Punkten kann es daher zu erhöhter Wärmeentwicklung kommen, wenn die Qualität eines derart hergestellten elektrischen Kontaktes zu gering ist.The connections between the upper and lower outlets 12, 13 and the switching device 10, between the upper and lower outlets 12, 13 and the bushings 11, between the bushings 11 and the connecting conductors 16 and between the connecting conductors 16 and the busbars 14 or the cables 15 can be made using non-positive connections such as screw or clamp connections. Increased heat generation can therefore occur at these points if the quality of an electrical contact produced in this way is too low.

Daher sind in diesem Beispiel drei Temperatursensoren 18a...c im Kabelanschlussraum 3 in der Nähe von drei analogen Schraubverbindungen, die jeweils Teil einer Phase sind, angeordnet. Die Temperatursensoren 18a...c sind damit sehr nahe an ihrer jeweiligen Schraubverbindung und auch nahe beieinander - im Vergleich zur Größe der Schaltanlage 1 - angeordnet. Die Temperatursensoren 18a...c sind mit einer Auswerteeinheit 17 kommunikativ verbunden, die in diesem Fall als Teil der Schaltanlage 1 gezeigt ist. Die Auswerteeinheit 17 ist vorliegend im Niederspannungsraum 5 angeordnet und kann Teil eines sonstigen Niederspannungs-Hilfsgeräts sein. In anderen Ausführungsformen kann die Funktionalität der Auswerteeinheit 17 auch außerhalb der Schaltanlage 1 angeordnet sein, beispielsweise in einem davon getrennt vorliegenden Computer oder in einem Cloud-Service. In allen Fällen liegt eine wenigstens indirekte Datenverbindung zwischen den Temperatursensoren 18a...c und der Auswerteeinheit 17 vor, durch die Messwerte der Temperatursensoren 18a...c an die Auswerteeinheit 17 übertragen werden können.Therefore, in this example, three temperature sensors 18a...c are arranged in the cable connection compartment 3 in the vicinity of three analogue screw connections, each of which is part of a phase. The temperature sensors 18a...c are thus very close to their respective screw connection and also close to one another—in comparison to the size of the switchgear 1. The temperature sensors 18a...c are communicatively connected to an evaluation unit 17, which is shown as part of the switchgear 1 in this case. In the present case, the evaluation unit 17 is arranged in the low-voltage space 5 and can be part of another low-voltage auxiliary device. In other embodiments, the functionality of the evaluation unit 17 can also be arranged outside of the switchgear 1, for example in a separate computer or in a cloud service. In all cases there is at least an indirect data connection between the temperature sensors 18a...c and the evaluation unit 17, through which measured values of the temperature sensors 18a...c can be transmitted to the evaluation unit 17.

Die kommunikative Verbindung zwischen den Temperatursensoren 18a...c und der Auswerteeinheit 17 kann über eine elektrische oder optische Datenleitung, eine drahtlose Kommunikationsverbindung oder über eine Nahfeldkommunikation verwirklicht sein. In letztgenanntem Fall werden die Temperatursensoren 18a...c über nicht dargestellte Antennen im Kabelanschlussraum 3 der Schaltanlage 1 elektromagnetisch angeregt und anhand ihrer Reaktion auf die elektromagnetische Anregung ausgelesen. Dies bietet den Vorteil, dass die Temperatursensoren 18a...c galvanisch getrennt von der Auswerteeinheit 17 und zudem ohne Batterien für die Versorgung einer drahtlosen Kommunikationsverbindung aufgebaut werden können.The communicative connection between the temperature sensors 18a...c and the evaluation unit 17 can be implemented via an electrical or optical data line, a wireless communication link or via near-field communication. In the latter case, the temperature sensors 18a...c are excited electromagnetically via antennas (not shown) in the cable connection compartment 3 of the switchgear 1 and are read based on their reaction to the electromagnetic excitation. This offers the advantage that the temperature sensors 18a...c can be set up electrically isolated from the evaluation unit 17 and also without batteries for the supply of a wireless communication link.

Ändert sich der durch die Schaltanlage 1 fließende Strom, dann ändert sich auch die in der Schaltanlage auftretende Verlustleistung gemäß PV = I2 * R,, wobei I der fließende Strom ist und R die in der Schaltanlage 1 vorhandenen elektrischen Widerstände. Dadurch ändert sich die Temperatur in der Schaltanlage 1, was sich im Sensorsignal der Temperatursensoren 18a...c bemerkbar macht. Die gesamte Schaltanlage 1 bildet dabei ein komplexes thermisches System, in dem sich Temperaturänderungen ausbreiten. Am schnellsten im Signal eines Temperatursensors 18a...c sichtbar sind dabei solche Temperaturänderungen, die nahe beim Temperatursensor 18a...c auftreten, also insbesondere Temperaturänderungen durch die Schraubverbindung, in deren unmittelbarer Nähe der Temperatursensor 18a...c angeordnet ist.If the current flowing through the switchgear 1 changes, then the power loss occurring in the switchgear also changes according to P V =I 2 *R 1 , where I is the current flowing and R is the electrical resistances present in the switchgear 1 . This changes the temperature in the switchgear 1, which is reflected in the sensor signal from the temperature sensors 18a...c. The entire switchgear 1 forms a complex thermal system in which temperature changes propagate. The fastest visible in the signal of a temperature sensor 18a...c are those temperature changes that occur close to the temperature sensor 18a...c, ie in particular temperature changes due to the screw connection in the immediate vicinity of which the temperature sensor 18a...c is arranged.

Typische Zeitkonstanten, mit denen sich die Temperatur nach einer Stromänderung anpasst, betragen etwa 1 h. Ist die betrachtete Schraubverbindung fehlerhaft und sorgt für einen erheblichen zusätzlichen Wärmeeintrag, dann äußert sich das in einer verringerten Zeitkonstante der Temperaturänderung.Typical time constants with which the temperature adapts after a change in current are about 1 hour. If the screw connection under consideration is faulty and causes a considerable additional heat input, this is reflected in a reduced time constant of the temperature change.

Es ist möglich, die Zeitkonstanten durch eine Auswertung, beispielsweise einen Fit an die Messdaten, zu bestimmen. Der funktionale Zusammenhang ergibt sich dabei aus einem Modell, das in 2 dargestellt ist. Der funktionale Zusammenhang ergibt sich dabei aus einem Modell, das in 2 dargestellt ist. Bei diesem Modell wird die Superposition vieler thermischer Zeitkonstanten und Verlustleistungen zu einer einfachen Modellstruktur mit einer einzelnen Wärmequelle vereinfacht, die über ein thermisches Netzwerk erster Ordnung mit einem RC-Glied aus einer thermischen Masse 21 und einem thermischen Widerstand 22 mit der Außentemperatur 23 als Wärmesenke verbunden ist. Im Fehlerfall wird die Superposition durch die fehlerhafte Schraubverbindung 20 dominiert.It is possible to determine the time constants by means of an evaluation, for example a fit to the measurement data. The functional connection results from a model that 2 is shown. The functional connection results from a model that 2 is shown. In this model, the superposition of many thermal time constants and power losses is simplified to a simple model structure with a single heat source connected via a first-order thermal network with an RC element consisting of a thermal mass 21 and a thermal Resistor 22 is connected to the outside temperature 23 as a heat sink. In the event of an error, the superposition is dominated by the faulty screw connection 20 .

Für das thermische Netzwerk erster Ordnung wie in 2 gezeigt ergibt sich folgender Zusammenhang: T A m b ( t ) = τ T ˙ ( t ) + T ( t ) P L o s s ( t ) R

Figure DE102021213293A1_0001
For the first-order thermal network as in 2 shown, the following relationship results: T A m b ( t ) = τ T ˙ ( t ) + T ( t ) P L O s s ( t ) R
Figure DE102021213293A1_0001

Dabei sind TAmb die Umgebungstemperatur 23, T die Temperatur eines jeweiligen Temperatursensors 18a...c, PLoss die auftretende Verlustleistung und R die Größe des thermischen Widerstands 22. Der Parameter τ ist die gesuchte Zeitkonstante der Temperaturanpassung für diesen Temperatursensor 18a...c. Es ist ersichtlich, dass sich bei konstanter Außentemperatur und konstanter Verlustleistung nach einer stufenförmigen Änderung der Verlustleistung ein exponentieller Verlauf der Temperatur T ergibt. Es kann aber nicht generell davon ausgegangen werden, dass diese Werte konstant sind.In this case, T Amb is the ambient temperature 23, T is the temperature of a respective temperature sensor 18a...c, P Loss is the power loss that occurs and R is the size of the thermal resistance 22. The parameter τ is the time constant of the temperature adjustment sought for this temperature sensor 18a... c. It can be seen that at a constant outside temperature and constant power loss, an exponential curve of the temperature T results after a stepwise change in the power loss. However, it cannot generally be assumed that these values are constant.

Weiterhin kann auch nicht davon ausgegangen werden, dass die Werte für die Umgebungstemperatur überhaupt bekannt sind. Einerseits kann die Schaltanlage so gestaltet sein, dass sie keinen Sensor dafür aufweist. Andererseits kann die Auswertung auch in manchen Ausführungsformen der Erfindung nicht in der Schaltanlage selbst, sondern beispielsweise in einem Cloud-Server stattfinden, bei dem Messwerte für die Umgebungstemperatur nicht vorliegen, da sie nicht übermittelt werden. Dasselbe gilt für die elektrischen Verluste PLoss der Schaltanlage.Furthermore, it cannot be assumed that the values for the ambient temperature are known at all. On the one hand, the switchgear can be designed in such a way that it does not have a sensor for this. On the other hand, in some embodiments of the invention, the evaluation cannot take place in the switchgear itself but, for example, in a cloud server where measured values for the ambient temperature are not available because they are not transmitted. The same applies to the electrical losses P Loss of the switchgear.

Vorteilhaft wird daher eine Kombination der Zusammenhänge für zwei der Temperatursensoren 18a...c vorgenommen: T A m b ( t ) = τ 1 T ˙ M 1 ( t ) + T M 1 ( t ) P L o s s ( t ) R 1

Figure DE102021213293A1_0002
T A m b ( t ) = τ 2 T ˙ M 2 ( t ) + T M 2 ( t ) P L o s s ( t ) R 2
Figure DE102021213293A1_0003
A combination of the relationships for two of the temperature sensors 18a...c is therefore advantageously carried out: T A m b ( t ) = τ 1 T ˙ M 1 ( t ) + T M 1 ( t ) P L O s s ( t ) R 1
Figure DE102021213293A1_0002
T A m b ( t ) = τ 2 T ˙ M 2 ( t ) + T M 2 ( t ) P L O s s ( t ) R 2
Figure DE102021213293A1_0003

Die Indizes M1 und 1 bezeichnen hierbei die zu einem ersten Temperatursensor 18a...c gehörigen Werte und die Indizes M2 und 2 die zu einem zweiten Temperatursensor 18a...c gehörigen Werte. Nach Umstellen und Normierung auf die jeweilige maximale Temperatur TM1max bzw. TM2max ergibt sich: 0 = τ 1 T ˙ M 1 ( t ) T M 1 m a x + T M 1 ( t ) T M 1 m a x ( P L o s s ( t ) + T A m b ( t ) R 1 ) R 1 T M 1 m a x

Figure DE102021213293A1_0004
0 = τ 2 T ˙ M 2 ( t ) T M 2 m a x + T M 2 ( t ) T M 2 m a x ( P L o s s ( t ) + T A m b ( t ) R 2 ) R 2 T M 2 m a x
Figure DE102021213293A1_0005
The indices M1 and 1 denote the values belonging to a first temperature sensor 18a...c and the indices M2 and 2 denote the values belonging to a second temperature sensor 18a...c. After conversion and normalization to the respective maximum temperature T M1max or T M2max , the result is: 0 = τ 1 T ˙ M 1 ( t ) T M 1 m a x + T M 1 ( t ) T M 1 m a x ( P L O s s ( t ) + T A m b ( t ) R 1 ) R 1 T M 1 m a x
Figure DE102021213293A1_0004
0 = τ 2 T ˙ M 2 ( t ) T M 2 m a x + T M 2 ( t ) T M 2 m a x ( P L O s s ( t ) + T A m b ( t ) R 2 ) R 2 T M 2 m a x
Figure DE102021213293A1_0005

Weiteres Umstellen ergibt einen Ausdruck für die Relation der beiden Zeitkonstanten τ1 und τ2: τ 2 = T M 2 m a x T ˙ M 2 ( t ) ( τ 1 T ˙ M 1 ( t ) T M 1 m a x + T M 1 ( t ) T M 1 m a x T M 2 ( t ) T M 2 m a x + B )

Figure DE102021213293A1_0006
τ 2 = T M 2 m a x T M 1 m a x T ˙ M 1 ( t ) T ˙ M 2 ( t ) τ 1 T M 2 m a x T ˙ M 2 ( t ) ( T M 1 ( t ) T M 1 m a x T M 2 ( t ) T M 2 m a x + B )
Figure DE102021213293A1_0007
Mit B = ( P L o s s ( t ) + T A m b ( t ) R 1 ) ( P L o s s ( t = t 1 ) + T A m b ( t = t 1 ) R 1 ) + ( P L o s s ( t ) + T A m b ( t ) R 2 ) ( P L o s s ( t = t 2 ) + T A m b ( t = t 2 ) R 2 )
Figure DE102021213293A1_0008
Further rearrangement results in an expression for the relation of the two time constants τ 1 and τ 2 : τ 2 = T M 2 m a x T ˙ M 2 ( t ) ( τ 1 T ˙ M 1 ( t ) T M 1 m a x + T M 1 ( t ) T M 1 m a x T M 2 ( t ) T M 2 m a x + B )
Figure DE102021213293A1_0006
τ 2 = T M 2 m a x T M 1 m a x T ˙ M 1 ( t ) T ˙ M 2 ( t ) τ 1 T M 2 m a x T ˙ M 2 ( t ) ( T M 1 ( t ) T M 1 m a x T M 2 ( t ) T M 2 m a x + B )
Figure DE102021213293A1_0007
With B = ( P L O s s ( t ) + T A m b ( t ) R 1 ) ( P L O s s ( t = t 1 ) + T A m b ( t = t 1 ) R 1 ) + ( P L O s s ( t ) + T A m b ( t ) R 2 ) ( P L O s s ( t = t 2 ) + T A m b ( t = t 2 ) R 2 )
Figure DE102021213293A1_0008

Durch die Normierung und dem Betrachten der beiden Zeitkonstanten oder der Steigungen zueinander kann dabei der Term B vernachlässigt und trotzdem eine ausreichende Genauigkeit erzielt werden, um Fehlerfälle zu identifizieren. Damit ist keine zusätzliche Strommessung oder Messung der Umgebungstemperatur notwendig, was eine Besonderheit dieses Verfahrens darstellt. Da die Parameter τ1 und τ2 unbekannt sind, wird ein Fitvorgang verwendet. Dabei wird nicht jeweils ein eigener Wert für die Parameter τ1 und τ2 bestimmt, sondern nur die Relation τ12. Die Relation ist dabei ein ausreichender Indikator zur vergleichenden Zustandsbestimmung. Die Relation ließe sich auch bestimmen, wenn τ1 und τ2 jeweils für sich durch einen Fitvorgang ermittelt werden, dann könnte aber der Term B nicht vernachlässigt werden. Für diesen Fitvorgang muss kein bestimmter Zeitpunkt abgewartet werden, sondern der Fit kann laufend vorgenommen werden in einem rollenden Zeitfenster der Messdaten. Das Verfahren profitiert davon, dass die betrachteten Sensoren durch ihre räumliche Nähe eng gekoppelt sind bezüglich der Umgebungstemperatur.By normalizing and considering the two time constants or the gradients relative to one another, term B can be neglected and still achieve sufficient accuracy to identify faults. This means that no additional current measurement or measurement of the ambient temperature is necessary, which is a special feature of this method. Since the parameters τ 1 and τ 2 are unknown, a fitting procedure is used. In this case, a separate value for the parameters τ 1 and τ 2 is not determined in each case, but only the relation τ 12 . The relation is a sufficient indicator for a comparative determination of the status. The relation could also be determined if τ 1 and τ 2 are each determined separately by a fitting process, but then the term B could not be neglected. There is no need to wait for a specific point in time for this fitting process, but the fit can be carried out continuously in a rolling time window of the measurement data. The method benefits from the fact that the sensors under consideration are closely coupled with regard to the ambient temperature due to their spatial proximity.

Das so erhaltene Verhältnis von τ1 und τ2 liegt nahe 1, wenn die Schaltanlage 1 keine Fehler in unmittelbarer Nähe der beiden Temperatursensoren 18a...c aufweist, wenn also insbesondere die Schraubverbindungen, bei denen die Temperatursensoren 18a...c angeordnet sind keinen erheblichen Wärmeeintrag verursachen. In diesem Fall sind alle Wärmequellen der Schaltanlage 1 in etwa gleich weit von den beiden Temperatursensoren 18a...c entfernt, da die Temperatursensoren 18a...c nahe beieinander angeordnet sind, beispielsweise an direkt benachbarten Schraubverbindungen. Dadurch wirken sich Stromänderungen in etwa gleich bei beiden Temperatursensoren 18a...c aus und die sich ergebenden Zeitkonstanten sind nahezu gleich, haben also ein Verhältnis von etwa 1.The ratio of τ 1 and τ 2 thus obtained is close to 1 if the switchgear 1 has no faults in the immediate vicinity of the two temperature sensors 18a...c, that is, in particular if the screw connections where the temperature sensors 18a...c are arranged do not cause any significant heat input. In this case, all heat sources of the switchgear 1 are approximately the same distance from the two temperature sensors 18a...c, since the temperature sensors 18a...c are arranged close to one another, for example on directly adjacent screw connections. As a result, current changes have approximately the same effect on both temperature sensors 18a...c and the resulting time constants are almost the same, i.e. have a ratio of approximately 1.

Ist dagegen eine der Schraubverbindungen fehlerhaft, dann verursacht diese einen Wärmeeintrag. Da dieser Wärmeeintrag nun - im Vergleich zum Abstand der Temperatursensoren 18a...c - sehr nahe an einem der beiden Temperatursensoren 18a...c stattfindet, ist die Wirkung auf die Zeitkonstante der beiden Temperatursensoren 18a...c unterschiedlich und das Verhältnis der Zeitkonstanten weicht nun deutlich von 1 ab. Versuche haben gezeigt, dass die sich ergebenden Verhältnisse beispielsweise bei 0,6 liegen.If, on the other hand, one of the screw connections is faulty, this causes heat input. Since this heat input now - in comparison to the distance between the temperature sensors 18a ... c - takes place very close to one of the two temperature sensors 18a ... c, the effect on the time constant of the two temperature sensors 18a ... c is different and the ratio of the Time constant now deviates significantly from 1. Tests have shown that the resulting ratios are around 0.6, for example.

Die Größe des Verhältnisses kann daher als Kriterium verwendet werden, ob ein Fehler vorliegt. Dazu wird ein Vergleich des Abstands des Verhältnisses von 1 mit einem vorgegebenen Schwellwert von beispielsweise 0,2 vorgenommen. Wird der Abstand von 1 größer als der Schwellwert, wird ein Alarmsignal ausgelöst und/oder eine Sicherheitsmaßnahme wie eine Abschaltung vorgenommen. Im vorliegenden Beispiel wird also ein Alarmsignal ausgelöst, wenn das Verhältnis größer als 1,2 oder kleiner als 0,8 ist. Alternativ zum Abstand kann auch ein Faktor verwendet werden, um den das Verhältnis von 1 abweicht, damit Fehler bei beiden Schraubverbindungen mathematisch gleich behandelt werden. Wird also Faktor beispielsweise 0,8 verwendet, dann wird ein Alarmsignal ausgelöst, wenn das Verhältnis kleiner als 0,8 oder größer als 1/0,8 = 1,25 ist.The size of the ratio can therefore be used as a criterion as to whether an error is present. For this purpose, the distance of the ratio of 1 is compared with a predetermined threshold value of, for example, 0.2. If the distance from 1 is greater than the threshold, an alarm signal is triggered and/or a safety measure such as a shutdown is taken. In the present example, an alarm signal is triggered if the ratio is greater than 1.2 or less than 0.8. As an alternative to the distance, a factor can also be used by which the ratio deviates from 1 so that errors in both screw connections are treated mathematically in the same way. For example, if a factor of 0.8 is used, then an alarm signal is triggered if the ratio is less than 0.8 or greater than 1/0.8 = 1.25.

Neben einem Vergleich mit einem absoluten Schwellwert kann auch der Verlauf des ermittelten Verhältnisses betrachtet werden, um einen Fehler zu ermitteln. Steigt oder sinkt das Verhältnis mit der Zeit deutlich, beispielsweise innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne um 10%, kann von einem Fehler ausgegangen werden und somit ein Alarmsignal ausgelöst und/oder eine Sicherheitsmaßnahme wie eine Abschaltung vorgenommen werden.In addition to a comparison with an absolute threshold value, the profile of the determined ratio can also be viewed in order to determine an error. If the ratio increases or decreases significantly over time, for example by 10% within a predetermined period of time, an error can be assumed and an alarm signal can thus be triggered and/or a safety measure such as a shutdown can be implemented.

Bei einer gasisolierten Schaltanlage können die Temperatursensoren 18a...c unter anderem in oder an einem T-Stecker angeordnet werden. 3 zeigt einen solchen T-Stecker 40 im Schnittbild mit einer Mehrzahl von möglichen Positionen 41...44 für den Temperatursensor 18a...c. Die Positionen unterschieden sich dabei durch ihre Distanz von der Schraubverbindung und somit der Zeitlichen Reaktion auf Stromänderung. Bei einer Position, die einem möglichen Fehler sehr nahe ist wie beispielsweise Position 43 kann die thermische Reaktion sehr gut mit einem thermischen Netzwerk erster Ordnung beschrieben werden, während bei einer weiter vom Fehler entfernten Position wie der Position 42 ein thermisches Netzwerk zweiter Ordnung den Temperaturverlauf besser darstellt.In a gas-insulated switchgear, the temperature sensors 18a...c can be arranged in or on a T-connector, among other things. 3 shows such a T-connector 40 in a sectional view with a plurality of possible positions 41...44 for the temperature sensor 18a...c. The positions differed by their distance from the screw connection and thus the temporal reaction to current changes. At a position that is very close to a possible fault, such as position 43, the thermal response can be described very well with a first-order thermal network, while at a position further away from the fault, such as position 42, a second-order thermal network better describes the temperature profile represents.

BezugszeichenlisteReference List

11
luftisolierte Schaltanlageair-insulated switchgear
22
Geräteraumequipment room
33
Kabelanschlussraumcable connection compartment
44
Sammelschienenraumbusbar room
55
Niederspannungsraumlow voltage room
1010
Schaltgerätswitching device
1111
Durchführungenbushings
1212
oberer Abgangupper outlet
1313
unterer Abganglower outlet
1414
Sammelschienebusbar
1515
KabelCable
1616
Verbindungsleiterconnection conductor
1717
Auswerteeinheitevaluation unit
18a...c18a...c
Temperatursensortemperature sensor
2020
Schraubverbindungscrew connection
2121
thermische Massethermal mass
2222
thermischer Widerstandthermal resistance
2323
Außentemperaturoutside temperature
4040
T-SteckerT connector
41...4541...45
Positionen für den TemperatursensorPositions for the temperature sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 2017/0148300 A1 [0003]US 2017/0148300 A1 [0003]

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben einer Schaltanlage (1), bei dem - Signale von zwei in der Schaltanlage (1) angeordneten Temperatursensoren (18a...c) aufgenommen werden, - durch einen Fit einer Funktion, die ein Verhältnis der Verläufe der Temperaturen bei den Temperatursensoren (18a...c) modelliert, an die Signale ein Verhältnis zweier thermischer Zeitkonstanten für Temperaturänderungen an den Temperatursensoren (18a...c) ermittelt wird, - ein Alarmsignal erzeugt wird, wenn das Verhältnis der thermischen Zeitkonstanten in einem Fehlerbereich liegt.Method for operating a switchgear (1), in which - Signals from two temperature sensors (18a...c) arranged in the switchgear (1) are recorded, - by fitting a function that models a ratio of the temperature curves at the temperature sensors (18a...c), to which signals a ratio of two thermal time constants for temperature changes at the temperature sensors (18a...c) is determined, - an alarm signal is generated when the thermal time constant ratio is within an error range. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Fehlerbereich alle Werte für das Verhältnis der Zeitkonstanten umfasst, die weiter als ein Mindestabstand von 1 entfernt liegen.procedure after claim 1 , where the error range includes all values for the ratio of the time constants that are further than a minimum distance of 1. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Funktion den Temperaturverlauf unter der Annahme beschreibt, dass die Temperatursensoren (18a...c) über ein thermisches Netzwerk erster Ordnung mit einer thermischen Masse (21) und einem thermischen Widerstand (22) mit einer Umgebungstemperatur (23) verbunden sind, wobei die Umgebungstemperatur (23) in der Funktion unberücksichtigt ist.procedure after claim 1 or 2 , in which the function describes the temperature curve assuming that the temperature sensors (18a...c) are connected to an ambient temperature (23) via a first-order thermal network with a thermal mass (21) and a thermal resistance (22). , where the ambient temperature (23) is not taken into account in the function. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem auf einen Empfang des Alarmsignals hin eine Sicherheitsmaßnahme durchgeführt wird.A method as claimed in any one of the preceding claims, in which a security measure is taken upon receipt of the alarm signal. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Sicherheitsmaßnahme ein Reduzieren eines fließenden Stroms, ein Abschalten der Schaltanlage (1) oder das Veranlassen einer Wartungsmaßnahme umfasst.procedure after claim 4 , in which the safety measure includes reducing a flowing current, switching off the switchgear (1) or initiating a maintenance measure. Schaltanlage (1) mit wenigstens zwei Temperatursensoren (18a...c) und einer Auswerteeinrichtung (17), wobei die Auswerteeinrichtung (17) ausgestaltet ist, ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen.Switchgear (1) with at least two temperature sensors (18a...c) and an evaluation device (17), the evaluation device (17) being designed to carry out a method according to one of the preceding claims. Schaltanlage (1) nach Anspruch 6 mit einer Mehrzahl von Phasen oder Schaltfeldern, insbesondere drei Phasen und einem Temperatursensor (18a...c) für jede Phase oder jedes Schaltfeld.switchgear (1) after claim 6 with a plurality of phases or switch panels, in particular three phases and a temperature sensor (18a...c) for each phase or each switch panel. Schaltanlage (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Temperatursensoren (18a...c) ausgebildet sind, Temperaturen von Schraubenverbindungen zu messen.switchgear (1) after claim 6 or 7 , in which the temperature sensors (18a...c) are designed to measure temperatures of screw connections. Schaltanlage (1) nach Anspruch 8, bei der die Temperatursensoren (18a...c) an einer Sammelschienenverbindung, einer Kabelverbindung, einem oberen Abgang (12), einem unteren Abgang (13) oder an einer Durchführung (11) angeordnet sind.switchgear (1) after claim 8 , in which the temperature sensors (18a...c) are arranged on a busbar connection, a cable connection, an upper outlet (12), a lower outlet (13) or on a bushing (11). System mit einer Schaltanlage (1) und einem abseits der Schaltanlage (1), insbesondere als Cloud-Service ausgestalteten Computersystem, bei dem das Computersystem ausgestaltet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und die Schaltanlage (1) ausgestaltet ist zur Übermittlung des Temperaturverlaufs an das Computersystem.System with a switchgear (1) and a computer system that is designed apart from the switchgear (1), in particular as a cloud service, in which the computer system is designed to carry out a method according to one of the Claims 1 until 5 and the switchgear (1) is designed to transmit the temperature profile to the computer system.
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